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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Hybrid- oder ein Elektrofahrzeug, aufweisend eine Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf zur bedarfsweisen Beheizung eines Fahrgastraumes sowie eine Steuereinheit zum Betrieb der Wärmepumpe.
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Aktuell sind vor allem Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor verbreitet. Bei diesen lässt sich die im Betrieb generierte Abwärme im Bedarfsfall nutzen, um den sogenannten Fahrzeugraum zu beheizen. Darüber hinaus werden jedoch auch Kraftfahrzeuge ohne Verbrennungsmotor, also insbesondere Elektrofahrzeuge, genutzt, bei denen kein Verbrennungsmotor verbaut ist, der im Bedarf Wärme zur Beheizung des Fahrgastraums liefert. Bei diesen wird stattdessen zum Beispiel eine Wärmepumpe zur bedarfsweisen Beheizung des Fahrgastraums genutzt, mit deren Hilfe dann im Betrieb der Umgebung des Kraftfahrzeuges Wärme entzogen und dem Fahrgastraum zugeführt wird. Nachteilig ist hierbei der Umstand, dass mit sinkender Umgebungstemperatur der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe in einem Kraftfahrzeug abnimmt.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug mit einem Fahrgastraum anzugeben, bei dem eine bedarfsweise Beheizung des Fahrgastraumes in vorteilhafter Weise erfolgt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen enthalten.
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Ein entsprechendes Kraftfahrzeug ist dabei insbesondere als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildet und weist dementsprechend entweder gar keinen Verbrennungsmotor auf oder aber einen relativ kleinen Verbrennungsmotor, der im Betrieb typischerweise nicht ausreichend Abwärme generiert, um damit im Bedarfsfall den Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges ausreichend zu beheizen. Aus diesem Grund weist das Kraftfahrzeug zur bedarfsweisen Beheizung des Fahrgastraums eine Wärmepumpe mit einem Kältemittelkreislauf auf sowie eine Steuereinheit zum Betrieb der Wärmepumpe. Hierbei ist der Kältemittelkreislauf mit einem Latentwärmespeicher verbunden, der einen Behälter sowie ein Speichermedium umfasst, in welchem sich Wärme zumindest zeitweise zwischenspeichern lässt.
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Hierdurch ist es dann prinzipiell möglich, im Bedarfsfall Wärme aus dem Latentwärmespeicher zu ziehen und zur Beheizung des Fahrgastraumes zu nutzen.
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Bevorzugt wird hierbei der Latentwärmespeicher nicht direkt zur Beheizung des Fahrgastraumes genutzt, indem beispielsweise Frischluft durch den Wärmespeicher geleitet wird und nachfolgend in den Fahrgastraum eingeleitet wird, stattdessen wird der Latentwärmespeicher bevorzugt als Wärmequelle für die Wärmepumpe genutzt. Das heißt also, dass die Steuereinheit zu diesem Zweck zum Betrieb der Wärmepumpe in verschiedenen Betriebsmodi eingerichtet ist, wobei der Latentwärmespeicher in einem der Betriebsmodi, dem Hilfsmodus, als Wärmequelle, also insbesondere als Wärmequelle für die Wärmepumpe, genutzt wird, um den Fahrgastraum mittels der Wärmepumpe zu beheizen.
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Auf diese Weise lässt sich zum einen sicherstellen, dass eine Beheizung des Fahrgastraums im Bedarfsfall jederzeit und in ausreichendem Maße möglich ist, und zum anderen lässt sich auf diese Weise in einem entsprechenden Kraftfahrzeug eine Wärmepumpe realisieren, die mit einer höheren Effizienz, einem höheren Wirkungsgrad, betrieben werden kann.
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Da der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe in einem Kraftfahrzeug von der Umgebungstemperatur abhängt, ist es weiter zweckmäßig, wenn die Steuereinheit aus den verschiedenen Betriebsmodi in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur einen Betriebsmodus zum Betrieb der Wärmepumpe auswählt und für den Betrieb vorgibt.
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Von Vorteil ist dabei eine Ausführungsvariante, bei der ein Temperaturschwellwert vorgegeben und in der Steuereinheit hinterlegt und wenn die Steuereinheit den Hilfsmodus auswählt und für den Betrieb vorgibt, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb dieses Schwellwertes liegt. Ein solcher Schwellwert ist hierbei zweckdienlicherweise an die Auslegung der Wärmepumpe angepasst, und liegt typischerweise in einem Bereich, in dem der Wirkungsgrad der entsprechenden Wärmepumpe mit abnehmender Temperatur deutlich sinkt.
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Weiter wählt die Steuereinheit den Hilfsmodus vorteilhafterweise dann aus, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb der Temperatur des Speichermediums, also beispielsweise unterhalb einer Phasenwechseltemperatur eines Phasenwechselmaterials, liegt. Auf diese Weise werden auch Betriebssituationen berücksichtigt, in denen im Latentwärmespeicher nicht ausreichend Wärme gespeichert ist, um durch die Nutzung des Latentwärmespeichers anstelle der Umgebung des Kraftfahrzeuges als Wärmequelle einen höheren Wirkungsgrad der Wärmepumpe zu erzielen. Vereinfacht ausgedrückt wird der Latentwärmespeicher nur dann als Wärmequelle genutzt, wenn auch ausreichend Wärme in diesem gespeichert ist.
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Um im Bedarfsfall auch ausreichend Wärme im Latentwärmespeicher zur Verfügung zu haben, ist es von Vorteil, wenn der Latentwämespeicher zum Beladen zumindest zeitweise thermisch mit einer nicht zur Wärmepumpe gehörenden Baugruppe verbunden ist, die im Betrieb Abwärme generiert. Die Abwärme wird dabei vorteilhafterweise zumindest so lange in den Latentwärmespeicher eingekoppelt oder eingeleitet, bis ein vorgegebener Beladungszustand erreicht ist. Nachfolgend wird die generierte Wärme zur Vermeidung einer Überlastung des Latentwärmespeichers zweckdienlicherweise in die Umgebung abgeführt, zumindest so lange, bis der Beladezustand des Latentwärmespeichers sich verringert.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist der Latentwärmespeicher dabei Teil einer aktiven Kühleinrichtung für eine Baugruppe, die im Betrieb Abwärme generiert und für die eine rein passive Kühlung nicht ausreichend ist.
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Günstig ist es in diesem Zusammenhang, wenn der Latentwärmespeicher zumindest zeitweise thermisch mit einer Hochvolt-Baugruppe verbunden ist, insbesondere mit einem Hochvoltspeicher, wie er typischerweise in Hybrid- und Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommt. In einigen Anwendungsfällen ist es zudem vorgesehen, dass der Latentwärmespeicher ein elektrisches Heizelement aufweist, mit dessen Hilfe der Latentwärmespeicher durch Nutzung von elektrischer Leistung beladen werden kann.
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Hierbei ist insbesondere eine Ausgestaltung des Kraftfahrzeuges von Vorteil, bei der dieses als Hybrid- oder Elektrofahrzeug mit einem Hochvoltspeicher ausgebildet ist. Jenes Kraftfahrzeug weist dabei eine Ladeeinrichtung zum Aufladen des Hochvoltspeichers mittels einer externen elektrischen Energiequelle auf, die derart eingerichtet ist, dass der Latentwärmespeicher mittels des elektrischen Heizelements während eines Aufladevorgangs des Hochvoltspeichers beladen wird. Das heißt also, dass bei einem derart ausgebildeten Hybrid- oder Elektrofahrzeug nicht nur die Batterie, also der Hochvoltspeicher, aufgeladen wird, wenn dieses an eine Stromtankstelle oder auch eine einfache Haushaltssteckdose angeschlossen wird, sondern dass gleichzeitig auch der Latentwärmespeicher aufgeladen, also mit Wärme beladen wird. Hierbei wird die Ladespannung zweckdienlicherweise im Kraftfahrzeug von der Spannung der Spannungsquelle, also beispielsweise der Haushaltssteckdose 240 V oder der Stromtankstelle 400 V, auf das Bordspannungsniveau des Kraftfahrzeuges gewandelt. Dieses Bordspannungsniveau wird dann typischerweise auch für die Beheizung des Latentwärmespeichers genutzt.
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Des Weiteren lassen sich als Speichermedium diverse Materialien einsetzen, wobei die Auswahl eines geeigneten Speichermediums vorteilhafterweise in Abhängigkeit der zu erwartenden Betriebsbedingungen und des vorgesehenen Anwendungszweckes erfolgt. Von Vorteil ist hierbei insbesondere ein Speichermedium, welches durch ein Phasenwechselmaterial, also zum Beispiel durch ein Paraffin, ausgebildet ist, insbesondere auch, da dieses unproblematisch in der Handhabung ist.
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Außerdem ist eine Ausbildung des Latentwärmespeichers von Vorteil, der für ein Beladen durch Sonneneinstrahlung ausgebildet ist und hierzu eine Fahrzeugaußenhaut des Kraftfahrzeuges mit auswertet. Der Latentwärmespeicher ist hierfür beispielsweise im Bereich des Fahrzeugdaches positioniert und weist einen zumindest teilweise transparenten Behälter auf, der Fahrzeugoberfläche im Bereich des Fahrzeugdaches mit ausbildet. Über diese teilweise transparente Oberfläche im Bereich des Fahrzeugdaches dringt dann Sonnenlicht in den Behälter des Latentwärmespeichers ein und wird dann, je nach Speichermaterial, absorbiert und als Wärme zwischengespeichert. Alternativ wird das eingekoppelte Sonnenlicht von einem Absorbermaterial, typischerweise einem dunklen oder schwarzen Material, absorbiert und durch Wärmeleitung an das Speichermedium weitergeleitet, Unabhängig von der Ausführung/genauen Ausbildung des Latentwärmespeichers ist außerdem eine Anordnung des Latentwärmespeichers in räumlicher Nähe zu einer Verdichtereinheit für das Kältemittel des Kältemittelkreislaufes der Wärmepumpe günstig. Eine entsprechende Verdichtereinheit ist dabei typischerweise im Vorderwagen/vorderen Bereich des Kraftfahrzeuges positioniert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
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1 in einer Blockschaltbilddarstellung ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung zur bedarfsweisen Beheizung eines Fahrgastraumes.
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Ein nachfolgend exemplarisch beschriebenes und in 1 skizziertes Kraftfahrzeug 2 ist als Elektrofahrzeug ausgebildet und weist eine Wärmepumpe 4 auf, mit deren Hilfe im Bedarfsfall ein Fahrgastraum 6 des Kraftfahrzeuges 2 beheizt.
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Teil dieser Wärmepumpe 4 ist ein Kältemittelkreislauf 8, der es erlaubt, der Umgebung des Kraftfahrzeuges 2 nach an sich bekanntem Prinzip Wärme über einen ersten Wärmetauscher 10 zu entziehen und über einen zweiten Wärmetauscher 12 in den Fahrgastraum 6 einzukoppeln.
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Der Betrieb der Wärmepumpe 4 wird hiermit mittels einer Steuereinheit 14 gesteuert, die zur Realisierung mehrerer Betriebsmodi eingerichtet ist und jener Betriebssituation einem Betriebsmodus für den Betrieb der Wärmepumpe 4 vorgibt.
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Im Ausführungsbeispiel sind für die Steuereinheit 14 lediglich zwei Betriebsmodi vorgegeben, ein Basismodus und ein Hilfsmodus, zwischen denen die Steuereinheit 14 in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur wechselt. Dabei wird der Hilfsmodus für den Betrieb der Wärmepumpe 4 durch die Steuereinheit 14 vorgegeben, wenn die Umgebungstemperatur unterhalb 0°C liegt, wohingegen die Wärmepumpe 4 im Basismodus betrieben wird, wenn die Umgebungstemperatur oberhalb 0°C liegt. Der hierfür benötigte Temperaturwert wird dabei mittels eines Temperatursensors 16 messtechnisch erfasst und an die Steuereinheit 14 übermittelt.
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Im Basismodus arbeitet die Wärmepumpe 4 nach bekanntem Prinzip und dementsprechend wird der Umgebung des Kraftfahrzeuges 2 zur Beheizung des Fahrgastraumes 6 Wärme entzogen. Im Hilfsmodus dagegen wird anstelle der Umgebung ein Latentwärmespeicher 18 als Wärmequelle für die Wärmepumpe 4 genutzt. Jener Latentwärmespeicher 18 ist hierfür in einem Teilkreis 20 des Kältemittelkreislaufs 8 eingebunden der aktiviert oder in Betrieb genommen wird, sobald die Wärmepumpe 4 in den Hilfsmodus wechselt. Der Teilkreis 20 für den Hilfsmodus ergänzt dabei einen Teilkreis 22 für den Basismodus, die gemeinsam den Kältemittelkreislauf 8 ausbilden und die über zwei Ventile 24 miteinander verbunden sind. Dementsprechend erfolgt dann ein Wechsel zwischen dem Basismodus und dem Hilfsmodus, in dem die Steuereinheit 14 die beiden Ventile 24 ansteuert, wodurch dann ein Wechsel des aktiv genutzten Teilkreises des Kältemittelkreislaufs 8 erfolgt.
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Zugunsten eines einfacheren Aufbaus weist der Kältemittelkreislauf 8 lediglich eine Verdichtereinheit 26 und eine Drosseleinheit 28 auf, die infolgedessen stets genutzt werden, unabhängig davon, welcher Teilkreis 20, 22 gerade aktiv genutzt wird.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante erfolgt die Steuerung der Wärmepumpe 4, so wie in 1 dargestellt, nicht nur auf der Basis der Umgebungstemperatur, sondern auch unter Berücksichtigung eines Temperaturwertes, der mittels eines Temperatursensors 30 im Latentwärmespeicher 18 erfasst wird. Danach erfolgt lediglich dann ein Wechsel in den Hilfsmodus, wenn die im Latentwärmespeicher 18 gemessene Temperatur oberhalb der gemessenen Umgebungstemperatur liegt. Nur dann ist davon auszugehen, dass im Latentwärmespeicher 18 ausreichend Wärme zwischengespeichert ist und eine Nutzung des Latentwärmespeichers 18 als Wärmequelle anstelle der Umgebungstemperatur eine effizientere Nutzung der Wärmepumpe 4 ermöglicht.
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Die Aufladung oder Beladung des Latentwärmespeichers 18 erfolgt im Ausführungsbeispiel durch Nutzung der Abwärme eines Hochvoltspeichers 32, der zur Versorgung des Kraftfahrzeuges 2 mit elektrischer Energie im Kraftfahrzeug 2 verbaut ist. Hierzu sind der Hochvoltspeicher 32 und der Latentwärmespeicher 18 thermisch miteinander gekoppelt, was den vorteilhaften Nebeneffekt mit sich bringt, dass der Hochvoltspeicher 32 durch den Latentwärmespeicher 18 bei Bedarf ausreichend gekühlt wird, so dass eine weitere oder zusätzliche Kühleinrichtung für den Hochvoltspeicher 32 nicht benötigt wird und im Kraftfahrzeug 2 auch nicht verbaut ist.
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Weiter weist das Kraftfahrzeug 2 eine Ladevorrichtung auf, mit deren Hilfe der Hochvoltspeicher 32 des Kraftfahrzeuges 2 an ein Haushaltsstromnetz 34 angekoppelt und über dieses aufgeladen werden kann. Hierzu weist das Kraftfahrzeug 2 einen Steckverbinder 36 sowie eine Umrichtereinheit 38 auf, über die die elektrische Leistung aus dem Haushaltsstromnetz 34 in den Hochvoltspeicher 32 eingespeist wird.
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Im in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt zudem während eines Ladevorgangs, bei dem der Hochvoltspeicher 32 über das Haushaltsstromnetz 34 aufgeladen wird, auch eine Beladung des Latentwärmespeichers 18 mit Wärme. Die entsprechende Wärme wird dabei durch ein nicht näher dargestelltes elektrisches Heizelement generiert, welches über die Umrichtereinheit 38 des Hochvoltspeichers 32 mit elektrischer Energie versorgt wird. Dabei ist Umrichtereinheit 38 derart ausgestaltet, dass die Stromzufuhr zum elektrischen Heizelement gestoppt wird, sobald ein vorgegebener Beladezustand des Latentwärmespeichers 18 erreicht ist, sobald also im Latentwärmespeicher 18 eine vorgegebene Temperatur erreicht ist.
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Im Ausführungsbeispiel weist der Latentwärmespeicher einen mit einem Speichermedium gefüllten Behälter 40 auf, und das Speichermedium ist durch ein Phasenwechselmaterial ausgebildet. Dieses Phasenwechselmaterial wechselt bei einer Temperatur von etwa 20°C von einer festen in eine flüssige Phase und nimmt dabei eine große Menge Wärme bei im Wesentlichen konstanter Temperatur auf. Dementsprechend wird in diesem Fall eine Beladung des Latentwärmespeichers 18 mittels des elektrischen Heizelements gestoppt, sobald im Latentwärmespeicher 18 eine Temperatur von 22°C erreicht ist.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ahne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Wärmepumpe
- 6
- Fahrgastraum
- 8
- Kältemittelkreislauf
- 10
- erster Wärmetauscher
- 12
- zweiter Wärmetaucher
- 14
- Steuereinheit
- 16
- Temperatursensor Umgebung
- 18
- Latentwärmespeicher
- 20
- Teilkreis Hilfsmodus
- 22
- Teilkreis Basismodus
- 24
- Ventil
- 26
- Verdichtereinheit
- 28
- Drosseleinheit
- 30
- Temperatursensor Latentwärmespeicher
- 33
- Hochvoltspeicher
- 34
- Haushaltsstromnetz
- 36
- Steckverbinder
- 38
- Umrichtereinheit
- 40
- Behälter
